{"id":77186,"date":"2023-10-27T12:23:34","date_gmt":"2023-10-27T10:23:34","guid":{"rendered":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/?p=77186"},"modified":"2023-10-27T14:29:57","modified_gmt":"2023-10-27T12:29:57","slug":"alpengestein-verraet-dynamik-von-plattenbewegungen-im-erdinnern","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/en\/forschung\/alpengestein-verraet-dynamik-von-plattenbewegungen-im-erdinnern\/","title":{"rendered":"Alpine rocks reveal the dynamics of plate movements in the Earth's interior"},"content":{"rendered":"

Wie sich Platten im Erdmantel bewegen und wie sich Gebirge bilden, ist nicht ganz leicht zu untersuchen. Spezielle Gesteine, die tief ins Erdinnere hinabgesunken und von dort wieder zur\u00fcckgekehrt sind, k\u00f6nnen Antworten liefern. Einem internationalen Geologenteam ist es nun unter Federf\u00fchrung des Instituts f\u00fcr Geowissenschaften der Goethe-Universit\u00e4t Frankfurt gelungen, einen Wei\u00dfschiefer aus den Alpen mittels Computermodellierung so genau zu analysieren, dass sich eine bisherige Theorie \u00fcber die Bewegung von Platten in Frage stellen l\u00e4sst.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

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Prof. Dr. Lucie Taj\u010dmanov\u00e1, Universit\u00e4t Heidelberg, untersucht die Wei\u00dfschiefer-Probe aus dem Dora-Maira-Massiv der Westalpen. Foto: Sebastian Cionoiu, Universit\u00e4t Heidelberg<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Geowissenschaftler:innen untersuchen Gesteine in Gebirgsg\u00fcrteln, um zu rekonstruieren, wie diese sich einst in die Tiefe hinabbewegt haben und dann wieder an die Oberfl\u00e4che zur\u00fcckkehrten. Diese Versch\u00fcttungs- und Exhumierungsgeschichte gibt Hinweise auf die Mechanismen der Plattentektonik und der Gebirgsbildung. Bestimmte Gesteine, die zusammen mit Platten weit ins Erdinnere hinabsinken, werden unter dem dort herrschenden enormen Druck in andere Gesteinsarten umgewandelt. Bei dieser UHP-Metamorphose (UHP: ultra high pressure) wird zum Beispiel Siliziumdioxid (SiO2) im Gestein zu Coesit, das auch als UHP-Polymorph von SiO2 bezeichnet wird. Chemisch handelt es sich zwar immer noch um Siliziumdioxid, doch sind die Kristallgitter enger gepackt und daher dichter. Wenn sich die Platten aus der Tiefe wieder nach oben bewegen, kommen auch die UHP-Gesteine wieder an die Oberfl\u00e4che und sind an bestimmten Stellen im Gebirge auffindbar. Ihre Mineralzusammensetzung liefert Informationen dar\u00fcber, welchen Dr\u00fccken sie auf der vertikalen Wanderung durchs Erdinnere ausgesetzt waren. \u00dcber die Ma\u00dfeinheit des lithostatischen Drucks lassen sich Druck und Tiefe in Beziehung setzen:\u2006Je h\u00f6her der Druck, desto tiefer lag das Gestein.<\/p>\n\n\n\n

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F\u00fcr die mikroskopische Untersuchung wurde ein D\u00fcnnschnitt des Wei\u00dfschiefers auf einen Glastr\u00e4ger geklebt (Bildmitte). Foto: Sebastian Cionoiu, Universit\u00e4t Heidelberg<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Bisher ging die Forschung davon aus, dass UHP-Gesteine in 120 Kilometern Tiefe begraben waren. Von dort unten sind sie dann mit den Platten wieder an die Oberfl\u00e4che zur\u00fcckgekehrt, wobei der Umgebungsdruck gleichm\u00e4\u00dfig, also statisch, nachlie\u00df. Eine neue Studie von Goethe-Universit\u00e4t Frankfurt sowie den Universit\u00e4ten Heidelberg und Rennes, Frankreich, stellt diese Annahme eines langen, kontinuierlichen Aufstiegs jedoch in Frage. Beteiligt an der Studie waren von Seiten der Goethe-Universit\u00e4t Frankfurt unter anderem Erstautorin Cindy Luisier, die im Rahmen eines Humboldt-Forschungsstipendiums an die Goethe-Universit\u00e4t Frankfurt kam, und Thibault Duretz, Leiter der Arbeitsgruppe Geodynamik am Institut f\u00fcr Geowissenschaften. Das Wissenschaftsteam untersuchte einen Wei\u00dfschiefer aus dem Dora-Maira-Massiv in den italienischen Westalpen. „Wei\u00dfe Schiefer sind Gesteine, die sich w\u00e4hrend der Alpenbildung aus der UHP-Metamorphose eines fl\u00fcssigkeitsver\u00e4nderten Granits gebildet haben“, erkl\u00e4rt Duretz. „Das Besondere an ihnen ist die gro\u00dfe Menge an Coesit. Die Coesitkristalle im Wei\u00dfschiefer sind mehrere Hundert Mikrometer gro\u00df und damit ideal f\u00fcr unsere Untersuchungen.“ Das St\u00fcck Wei\u00dfschiefer aus dem Dora-Maira-Massiv enthielt rosa Granate in einer silbrig-wei\u00dfen Matrix unter anderem aus Quarz. „Das Gestein hat eine besondere Chemie und damit Mineralogie“, so Duretz. Mit dem Wissenschaftsteam untersuchte er es, indem er zuerst einen sehr d\u00fcnnen Schnitt von etwa 50 Mikrometern Dicke anfertigte und diesen dann auf Glas aufklebte. So konnten die Mineralien unter dem Lichtmikroskop bestimmt werden. Anschlie\u00dfend folgte die Computermodellierung bestimmter, besonders interessanter Stellen.<\/p>\n\n\n\n

Diese Stellen waren von den rosa Granatk\u00f6rnern umschlossene Siliziumdioxid-Partikel, in denen sich zwei SiO2-Polymorphe gebildet hatten. Einmal Coesit, das bei sehr hohem Druck (4,3 Gigapascal) entstand. Bei dem anderen Siliziumdioxid-Polymorph handelte es sich um Quarz, das wie ein Ring um das Coesit herum lag. Es entstand bei viel niedrigerem Druck (1,1 Gigapascal). Der Wei\u00dfschiefer war also erst sehr hohem, dann viel niedrigerem Druck ausgesetzt gewesen. Es hatte eine starke Druckabnahme oder Dekompression gegeben. Die entscheidende Entdeckung war folgende: Von den SiO2-Einschl\u00fcssen gingen speichenf\u00f6rmige Risse nach allen Seiten aus, das Ergebnis des Phasen\u00fcbergangs von Coesit zu Quarz. Dieser \u00dcbergang bewirkt eine gro\u00dfe Volumen\u00e4nderung – und verursachte starke Spannungen im Gestein. Diese lie\u00dfen den Granat brechen, der die SiO2-Einschl\u00fcsse umgibt. „Solche radialen Risse k\u00f6nnen sich jedoch nur bilden, wenn das Wirtsmineral, der Granat, sehr stark bleibt“, erkl\u00e4rt Duretz. „Und Granat bleibt nur dann sehr stark, wenn der Druck sehr schnell abf\u00e4llt.“ Sehr schnell hei\u00dft in geologischen Dimensionen in Tausenden bis Hunderttausenden von Jahren. In diesem „kurzen“ Zeitraum muss der Druck von 4,3 auf 1,1 Gigapascal gesunken sein. Andernfalls h\u00e4tte der Granat, anstatt Risse zu bilden, sich zum Fl\u00fcssigen hin verformt, um die Volumen\u00e4nderung in den SiO2-Einschl\u00fcssen auszugleichen.<\/p>\n\n\n\n

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Feinstruktur der Wei\u00dfschieferprobe: Eines der rosa Granatk\u00f6rner (garnet, linkes Bild, eingebettet in die Mineralien Quarz, Rutil und Phengit) mit SiO2-Einschl\u00fcssen (quarz inclusions), von denen Risse ausgehen (cracks). Simulationsrechnungen (rechtes Bild) best\u00e4tigen die Interpretation der Risse als Spannungsrisse. Bilder: Thibaut Duretz, Goethe-Universit\u00e4t<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Die Tatsache der schnellen Dekompression l\u00e4sst laut Duretz die bisherige Annahme, dass UHP-Gestein 120 Kilometer Tiefe erreicht, weniger wahrscheinlich erscheinen. Denn der Aufstieg aus einer solchen Tiefe liefe in einem langen Zeitraum ab, der nicht zur hohen Dekompressionsrate passt. „Wir vermuten eher, dass unser Wei\u00dfschiefer nur 60 bis 80 Kilometer tief lag“, so der Geologe. Und auch die Prozesse im Erdinnern k\u00f6nnten ganz anders sein als bisher angenommen. Dass sich Gesteinseinheiten kontinuierlich \u00fcber gro\u00dfe Entfernungen nach oben bewegen, aus 120 Kilometern Tiefe bis zur Oberfl\u00e4che, erscheint ebenfalls unwahrscheinlicher als vorher. „Unsere Hypothese lautet, dass stattdessen schnelle tektonische Prozesse stattfanden, die zu minimalen vertikalen Verschiebungen von Platten f\u00fchrten.“ Dies k\u00f6nne man sich so vorstellen: Die Platten bewegten sich im Innern der Erde pl\u00f6tzlich ruckhaft ein kleines St\u00fcck nach oben – und der Druck, den das UHP-Gestein umgab, lie\u00df dadurch in relativ kurzer Zeit nach.<\/p>\n\n\n\n

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Publikation: <\/strong>Luisier Cindy, Taj\u010dmanov\u00e1 Lucie, Yamato Philippe, Duretz Thibault: Garnet microstructures suggest ultra-fast decompression of ultrahigh-pressure rocks. Nature Communications (2023) https:\/\/doi.org\/10.1038\/s41467-023-41310-w<\/a><\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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